專利名稱：多功能聚乙烯管材和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型多功能高分子復(fù)合材料，具體是一種多功能聚乙烯管材及其制造 方法。
背景技術(shù)：
1933年英國ICI公司首先發(fā)現(xiàn)了 PE。世界經(jīng)濟發(fā)達國家從40年代末已經(jīng)開始 研究聚乙烯管道，并應(yīng)用于給排水及燃氣工程，從60年代相繼在給水輸配系統(tǒng)、排水輸配 系統(tǒng)和燃氣輸配系統(tǒng)中使用聚乙烯管道，且使用比例逐步擴大。如英國聚乙烯管道使用量 以1968年應(yīng)用于天然氣輸送為轉(zhuǎn)折點，使用量急劇增加，1979年埋設(shè)的干、支管道中，聚乙 烯管占80%，美國在1983年埋設(shè)的燃氣管道中有88. 6%為PE管，現(xiàn)在國際上歐、美、日等 發(fā)達國家已經(jīng)全部采用聚乙烯管道。在國外，塑料管道正不斷代替金屬或其他傳統(tǒng)材料的 管道，發(fā)展十分迅速。從1980 1990年的十年中除塑料管道以外，其他各種材料的管道增 長率總和不足2%，而塑料管道的增長率是其他各種管道增長率總和的4倍，達到8%，進入 九十年代塑料管道的需求量將仍是每年4. 2%的速率增長，其產(chǎn)值大約以每年8%的速率 遞增。發(fā)展至今，PE是由多種工藝方法生產(chǎn)的，具有多種結(jié)構(gòu)和特性及多種用途的系列 品種的樹脂，已經(jīng)占世界合成樹脂產(chǎn)量的三分之一，居第一。PE的最佳用途之一是可以用來 生產(chǎn)輸送除高濃度強酸、強堿外的任何介質(zhì)的管材，廣泛用于給水、燃氣輸送、排污、農(nóng)業(yè)澆 灌、礦山細顆粒固體輸送，以及油田、化工和郵電通訊等領(lǐng)域。由于PE管材料本身的特點，PE管也有一定的弱點，如強度低，碰到堅石，金屬碰撞 擠壓，易引起凹坑，直至穿孔；沒有阻燃性；對最高使用壓力有限制，而在我國北方地區(qū)，在 冬季野外鋪設(shè)的聚乙烯埋地給水時，總結(jié)出一條經(jīng)驗是在零度以下就不適宜鋪設(shè)施工，因 為這時聚乙烯管輕易脆裂；另外，PE管堆放要求高，不能長時間日曬雨淋，否則輕易老化， 降低使用壽命。因此保持PE管道原有的優(yōu)良性能，改善其韌性不足，提高其阻燃性能、耐磨性能、 抗沖擊性、抗開裂性、防結(jié)垢性能、耐腐蝕性能、延長系統(tǒng)使用壽命，就成了 PE管道創(chuàng)新發(fā) 展的課題之一，也是突破PE管道局限性的關(guān)鍵。目前PE管道性能改進方式為國際上PE管道技術(shù)創(chuàng)新的主要方向是通過材料 和加工工藝的技術(shù)創(chuàng)新，制造出比傳統(tǒng)PE管道性能更好，兼有高強度、高韌性、阻燃、絕緣、 高耐磨、防結(jié)垢、耐壓安全的管道系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，結(jié)合高密度聚乙烯(HDPE)、超高 分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡膠(TOR)、過氧化二異丙苯(DCP)、納米稀土 β晶型成 核劑、硅酮聚合物的優(yōu)點，提供了一種多功能聚乙烯管材及其制造方法，它復(fù)合使用HDPE、 UHMWPE、TOR物理共混形成共混體系，采用過氧化二異丙苯(DCP)交聯(lián)劑化學交聯(lián)共混體
3系，采用納米稀土 β晶型成核劑增容共混體系，采用硅酮聚合物阻燃劑改性共混體系，有 效解決了 PE管材的低溫脆性、耐磨性、耐腐蝕性、抗老化性、耐熱性、加工性、阻燃性等問題。 本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供一種多功能聚乙烯管材，以高密度 聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡膠(TOR)、過氧化二異丙苯(DCP)、納
米稀土 β晶型成核劑和硅酮聚合物共混改性而成，各原料具體質(zhì)量分為
高密度聚乙烯(HDPE)30-50 份
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)70-90 份
聚辛烯橡膠(TOR)10-15份
納米稀土 β晶型成核劑1. 5-2. 0 份
過氧化二異丙苯(DCP)1. 0-1. 5 份
硅酮聚合物阻燃劑3-5份
色母3-5 份。
所述的納米稀土 β晶型成核劑是由納米級稀土和β晶型成核劑按質(zhì)量比1
的比例混合攪拌至溫度98-102°C時即為納米稀土 β晶型成核劑。本發(fā)明中使用了高密度聚乙烯(HDPE)樹脂，是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹 脂。原態(tài)HDPE的外表呈乳白色，在微薄截面呈一定程度的半透明狀。HDPE具有優(yōu)良的耐大 多數(shù)生活和工業(yè)用化學品的特性。該聚合物不吸濕并具有好的防水蒸汽性，可用于包裝用 途。HDPE具有很好的電性能，特別是絕緣介電強度高，使其很適用于電線電纜。中到高分子 量等級具有極好的抗沖擊性，在常溫甚至在-40°C低溫度下均如此。本發(fā)明中使用了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，UHMWPE極高的分子量賦予其優(yōu)異 的使用性能，而且屬于價格適中、性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，它幾乎集中了各種塑料的優(yōu) 點，具有普通聚乙烯和其它工程塑料無可比擬的耐磨、耐沖擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收沖擊 能、耐低溫、衛(wèi)生無毒、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實上，目前還沒有一 種單純的高分子材料兼有如此眾多的優(yōu)異性能。提高管材的機械性能、耐磨性能、抗老化性 能、耐腐蝕性能、防結(jié)垢性能等。本發(fā)明中使用了聚辛烯橡膠(T0R)，為進口 TOR橡膠，是一種部分結(jié)晶橡膠。作為 一種聚合物助劑，它在混合和制造過程中成為聚合物的增塑劑，其參與交聯(lián)反應(yīng)，而且作為 一種彈性體被完全結(jié)合到整個物質(zhì)化學鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，有效解決了管材的韌性、敏感性、 抗老化性差的問題。本發(fā)明中使用了納米稀土 β晶型成核劑，為共混體系成核劑，是一種新功能助 劑，提高共混體系相容性，透過改變樹脂的結(jié)晶行為，加快結(jié)晶速率、增加結(jié)晶密度和促使 晶粒尺寸細微化，達到縮短成型周期、提高管材透明性、表面光澤、抗拉強度、剛性、熱變形 溫度、抗沖擊性、抗蠕變性等綜合性能。本發(fā)明中使用了過氧化二異丙苯(DCP)交聯(lián)劑，在共混體系熔融加工過程中，交 聯(lián)反應(yīng)可以使共混體系分子鏈間形成三維網(wǎng)狀的體型結(jié)構(gòu)，不僅能提高管材耐熱性，還能 改善其化學性能，電性能，耐介質(zhì)性，耐候耐老化性等各項性能。本發(fā)明中使用了硅酮聚合物阻燃劑改性，具有潤滑耐磨和分散的作用，提高共混 體系的阻燃性能和力學性能，增加管材擠出速度，減少次品率，提高管材加工的流動性、降低扭矩、提高充模和脫膜能力，提高管材的表面滑爽性(手感)、耐磨、抗刮性，提高產(chǎn)品自 潔性能。上述多功能聚乙烯管材的制造方法為高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)、聚辛烯橡膠(TOR)、過氧化二異丙苯(DCP)、納米稀土 β晶型成核劑、硅酮聚合物 阻燃劑和色母按比例稱重后一起加入高速混合機攪拌10-15分鐘，加入擠出機造粒，將粒 料加入全自動一體化擠出機擠出真空定型、噴碼、切割、檢驗、包裝、入庫；擠出溫度是進 料段為150-180°C，壓縮段為200-220°C，塑化段為220_230°C，均化段為200_210°C，模具溫 度為190-210°C，冷卻水溫度15-20°C ；冷卻定型真空為0. 4MPa。所得管材其性能為低溫脆性溫度< -70°C、200°C氧化誘導(dǎo)時間36min、熱變形溫 度彡122°C、拉伸屈服應(yīng)力為45MPa、斷裂伸長率480%、簡支梁缺口沖擊強度為155KJ/m2、 氧指數(shù)85 %、自熄時間1S、表面電阻率1. 8 X 109 Ω、摩擦系數(shù)0. 04、砂漿磨損率0. 1 %、縱向 回縮率1 %、靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無滲漏、無破裂，管材符合《生活飲用 水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。與現(xiàn)有聚乙烯管材比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)越性1.耐腐蝕化學穩(wěn)定性極高，具有優(yōu)良的耐化學藥品性，除強氧化性酸液外，在一 定的溫度和濃度范圍內(nèi)能耐酸、堿鹽及有機溶劑腐蝕。2.抗老化性好經(jīng)過改性使用壽命超過普通聚乙烯管，氧化誘導(dǎo)時間為36min、使 用60年左右，認可保持80%的機械性能。3.節(jié)能、衛(wèi)生、環(huán)保產(chǎn)品能抑制細菌的產(chǎn)生，符合飲用水安全標準。4.阻燃性好加入阻燃劑改性，產(chǎn)品適用于特殊行業(yè)的防火環(huán)境。5.電性能優(yōu)電氣性能優(yōu)于HDPE管材。6.防結(jié)垢性摩擦系數(shù)為0. 04，自潤滑性和不粘附性好，流動阻力小，能長期保持 流量和流速。7.物理性能高沖擊強度高，柔韌性好。無論外界強沖擊，還是內(nèi)部壓力波動都難 以使其開裂，在低溫時沖擊強度反而達到更高值，為安全系統(tǒng)提供了安全可靠的保障。8.高耐磨性砂漿磨損率0. 1%，大幅度提高了管道的使用壽命。9.環(huán)境適應(yīng)性好可以長期在-70°C到95°C的溫度下工作，具有優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng) 力開裂和耐疲勞性。10.安裝方便、快捷采用熱熔焊接，柔韌性好，能適應(yīng)各種安裝環(huán)境，可以直接彎 曲鋪設(shè)，可以承插舊管道安裝。本發(fā)明多功能聚乙烯管材用途十分廣泛，主要應(yīng)用領(lǐng)域為1.給水工程飲用水、純凈水、冷熱水、農(nóng)田灌溉、工業(yè)用水的輸送管道。2.排水排污工程生活、工業(yè)污水排放處理的輸送管道。3.油氣工程原油、天然氣的輸送管道。4.煤電、礦業(yè)工程煤粉、礦粉、尾礦、礦漿等固體顆粒、固液體混合物的耐磨輸送管道。5.供氣供暖工程暖氣、天然氣、煤氣的輸送管道。6.化學工程強酸、強堿等高腐蝕性介質(zhì)的輸送管道，鹽化工的鹵水、鹽漿、原鹽 的輸送管道。
7.電力通信工程電線、電纜護套管道。8.海洋工程海水淡化中海水、淡水輸送管道。9.疏浚工程江、河、湖、港口、碼頭等清淤工程泥沙的輸送管道。本發(fā)明有益效果是解決了聚乙烯管材的低溫脆性、耐磨性、耐腐蝕性、抗老化性、 耐熱性、加工性、阻燃性等問題?？蓮V泛應(yīng)用于給排水、排污、油氣、煤電、礦業(yè)、供氣供暖、化 工、電力通信、海洋、疏浚等領(lǐng)域。
具體實施例方式實施例1 配方為高密度聚乙烯(HDPE) 70份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 70份、聚辛烯橡 膠(TOR) 10份、過氧化二異丙苯(DCP) 1份、納米稀土 β晶型成核劑1. 5份、硅酮聚合物阻 燃劑3份、色母3份，按上述制造方法生產(chǎn)樣管。樣管經(jīng)檢測，低溫脆性溫度< -70°C，2000C 氧化誘導(dǎo)時間36min，熱變形溫度彡122V，拉伸屈服應(yīng)力為45MPa，斷裂伸長率480%，簡支 梁缺口沖擊強度為155KJ/m2，氧指數(shù)85%，自熄時間1S，表面電阻率1. 8X IO9 Ω，摩擦系數(shù) 0. 04，砂漿磨損率0. 1 %，縱向回縮率1 %，靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無滲 漏、無破裂，管材符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。實施例2 配方為高密度聚乙烯(HDPE)40份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)90份、聚辛烯橡 膠(TOR) 15份、過氧化二異丙苯(DCP) 1.5份、納米稀土 β晶型成核劑2份、硅酮聚合物阻 燃劑5份、色母5份，按上述制造方法生產(chǎn)樣管。樣管經(jīng)檢測，低溫脆性溫度< -70°C，2000C 氧化誘導(dǎo)時間42min，熱變形溫度彡128°C，拉伸屈服應(yīng)力為48MPa，斷裂伸長率520%，簡支 梁缺口沖擊強度為158KJ/m2，氧指數(shù)88%，自熄時間1S，表面電阻率1. 8 X IO9 Ω，摩擦系數(shù) 0. 02，砂漿磨損率0. 05%，縱向回縮率1. 6%，靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無 滲漏、無破裂，管材符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。實施例3:配方為高密度聚乙烯(HDPE) 30份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 80份、聚辛烯橡 膠(TOR) 10份、過氧化二異丙苯(DCP) 1份、納米稀土 β晶型成核劑1. 5份、硅酮聚合物阻 燃劑3份、色母3份，按上述制造方法生產(chǎn)樣管。樣管經(jīng)檢測，低溫脆性溫度< -70°C，2000C 氧化誘導(dǎo)時間36min，熱變形溫度彡122V，拉伸屈服應(yīng)力為46MPa，斷裂伸長率480%，簡支 梁缺口沖擊強度為155KJ/m2，氧指數(shù)85%，自熄時間1S，表面電阻率1. 8X IO9 Ω，摩擦系數(shù) 0. 03，砂漿磨損率0. 08%，縱向回縮率1. 2%，靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無 滲漏、無破裂，管材符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。實施例4 配方為高密度聚乙烯(HDPE) 30份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 90份、聚辛烯橡 膠(TOR) 10份、過氧化二異丙苯(DCP) 1.5份、納米稀土 β晶型成核劑2份、硅酮聚合物阻 燃劑5份、色母5份，按上述制造方法生產(chǎn)樣管。樣管經(jīng)檢測，低溫脆性溫度< -70°C，2000C 氧化誘導(dǎo)時間40min，熱變形溫度> 128°C，拉伸屈服應(yīng)力為48MPa，斷裂伸長率480%，簡支 梁缺口沖擊強度為157KJ/m2，氧指數(shù)88%，自熄時間1S，表面電阻率1. 8X IO9 Ω，摩擦系數(shù) 0. 02，砂漿磨損率0. 06%，縱向回縮率1. 4%，靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無滲漏、無破裂，管材符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。實施例5 配方為高密度聚乙烯(HDPE) 50份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 80份、聚辛烯橡 膠(TOR) 15份、過氧化二異丙苯(DCP) 1. 5份、納米稀土 β晶型成核劑2. 0份、硅酮聚合物阻 燃劑3份、色母5份，按上述制造方法生產(chǎn)樣管。樣管經(jīng)檢測，低溫脆性溫度< -70°C，2000C 氧化誘導(dǎo)時間42min，熱變形溫度> 122V,拉伸屈服應(yīng)力為45MPa，斷裂伸長率480%，簡支 梁缺口沖擊強度為158KJ/m2，氧指數(shù)85%，自熄時間1S，表面電阻率1. 8 X IO9 Ω，摩擦系數(shù) 0. 04，砂漿磨損率0. 1 %，縱向回縮率1 %，靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無滲 漏、無破裂，管材符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。實施例6 配方為高密度聚乙烯(HDPE) 30份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 80份、聚辛烯橡 膠(TOR) 10份、過氧化二異丙苯(DCP) 1. 5份、納米稀土 β晶型成核劑2. 0份、硅酮聚合物阻 燃劑5份、色母5份，按上述制造方法生產(chǎn)樣管。樣管經(jīng)檢測，低溫脆性溫度< -70°C，2000C 氧化誘導(dǎo)時間36min，熱變形溫度> 122V,拉伸屈服應(yīng)力為45MPa，斷裂伸長率500%，簡支 梁缺口沖擊強度為155KJ/m2，氧指數(shù)88%，自熄時間1S，表面電阻率1. 8X IO9 Ω，摩擦系數(shù) 0. 03，砂漿磨損率0. 09%，縱向回縮率1. 6%，靜液壓試驗和靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性試驗無 滲漏、無破裂，管材符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》。
權(quán)利要求
一種多功能聚乙烯管材，其特征在于它使用高密度聚乙烯HDPE、超高分子量聚乙烯UHMWPE、聚辛烯橡膠TOR進行共混改性而成，采用過氧化二異丙苯DCP交聯(lián)劑化學交聯(lián)共混體系、納米稀土β晶型成核劑增容共混體系和硅酮聚合物阻燃劑改性共混體系制造；所述的復(fù)合材料的質(zhì)量份組成為高密度聚乙烯(HDPE)30 50份超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 70 90份聚辛烯橡膠(TOR) 10 15份納米稀土β晶型成核劑 1.5 2.0份過氧化二異丙苯(DCP) 1.0 1.5份硅酮聚合物阻燃劑 3 5份色母 3 5份；所述的納米稀土β晶型成核劑是由納米級稀土和β晶型成核劑按質(zhì)量比1∶2的比例混合攪拌至溫度98 102℃時即為納米稀土β晶型成核劑。
2.按權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的高密度聚乙烯(HDPE)為 ΡΕ100樹脂。
3.按權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)為分子量600萬UHMWPE樹脂。
4.按權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的聚辛烯橡膠TOR為進口 半結(jié)晶聚辛烯橡膠。
5.按權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的納米稀土β晶型成核劑 為納米級稀土改性共混體系成核劑，直徑為10-20nm。
6.按權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的過氧化二異丙苯(DCP) 為化學交聯(lián)劑，相對分子質(zhì)量270. 37。
7.按權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的硅酮聚合物阻燃劑為進 口超高分子量多功能阻燃劑。
8.—種權(quán)利要求1所述的多功能聚乙烯管材的制造方法，其特征在于將高密度聚乙烯 HDPE、超高分子量聚乙烯UHMWPE、聚辛烯橡膠TOR、過氧化二異丙苯DCP、納米稀土 β晶型成 核劑、硅酮聚合物阻燃劑和色母按權(quán)利要求1所述的比例稱重后一起加入高速混合機攪拌 10-15分鐘，加入擠出機造粒，然后將粒料加入全自動一體化擠出機擠出真空定型、噴碼、切 割、檢驗、包裝、入庫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多功能聚乙烯管材的制造方法，其特征在于擠出溫度是進 料段為150-180°C，壓縮段為200-220°C，塑化段為220_230°C，均化段為200_210°C，模具溫 度為190-210°C，冷卻水溫度15-20°C ；冷卻定型真空為0. 4MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能聚乙烯管材及其制造方法，屬高分子復(fù)合材料。以高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡膠(TOR)、過氧化二異丙苯(DCP)、納米稀土β晶型成核劑和硅酮聚合物共混改性而成，各原料具體質(zhì)量分為高密度聚乙烯(HDPE)30-50份，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)70-90份，聚辛烯橡膠(TOR)10-15份，納米稀土β晶型成核劑1.5-2.0份，過氧化二異丙苯(DCP)1.0-1.5份，硅酮聚合物阻燃劑3-5份，色母3-5份。有益效果是解決了聚乙烯管材的低溫脆性、耐磨性、耐腐蝕性、抗老化性、耐熱性、加工性、阻燃性等問題?？蓮V泛應(yīng)用于給排水、排污、油氣、煤電、礦業(yè)、供氣供暖、化工、電力通信、海洋、疏浚等領(lǐng)域。
文檔編號C08L23/20GK101974177SQ201010536988
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者岳喜東, 程全山 申請人:徐州百安居建材科技有限公司